三角異形螺旋空間飄帶桁架超高空安裝技術(shù)

劉方星，蔡金志，王寵 (中建二局安裝工程有限公司，北京 102600)

1 引言

延慶冬奧會環(huán)境建設(shè)（冬奧五環(huán)）項目以“簡約大氣設(shè)計風(fēng)格，呈現(xiàn)冰雪奧運(yùn)元素，契合延慶發(fā)展定位，成為標(biāo)志物與遺產(chǎn)”為設(shè)計理念，建成后，將在延慶冬奧賽區(qū)的天空中呈現(xiàn)出“奧運(yùn)五環(huán)”和“冰晶飄帶”完美組合的美麗景象，成為延慶賽區(qū)的冬奧地標(biāo)，向世界展現(xiàn)出北京冬奧的魅力。

2 工程概況

延慶冬奧會環(huán)境建設(shè)（冬奧五環(huán)）項目為改造工程，改造主體為原中科院太陽能集熱試驗塔，檐口高度119．45m，原有結(jié)構(gòu)為異型截面混凝土塔筒結(jié)構(gòu)，截面為六角星型螺旋上升造型，該改造方向是在原有混凝土塔筒周圍加裝飄帶形裝飾，塔頂加裝奧運(yùn)五環(huán)標(biāo)志。飄帶為6 組，加設(shè)在原有結(jié)構(gòu)六角星截面的六角部位，螺旋上升。飄帶桁架為三角異形空間桁架，內(nèi)側(cè)弦桿與外側(cè)主弦桿分別由腹桿連接，內(nèi)側(cè)兩根弦桿間無腹桿連接，構(gòu)件全部由圓管組成，外側(cè)主要弦桿規(guī)格為 PIP351×8、PIP351×10、PIP351×16，內(nèi)側(cè)弦桿主要為PIP219×14，腹桿為PIP219×8。

圖1 飄帶形式

3 施工難點分析

3.1 飄帶為異形空間桁架結(jié)構(gòu)，施工難度大

飄帶為三角異形空間桁架結(jié)構(gòu)，采用分段安裝，分段長度長，空中姿態(tài)與就位姿態(tài)難以保證一致，進(jìn)而無法保證安裝就位。采用鋼絲繩BIM 角度模擬技術(shù)，保證了飄帶桁架吊裝姿態(tài)與就位姿態(tài)一致性。

3.2 安裝高度高安裝難度大

飄帶分段單元最高安裝高度達(dá)到120m，安裝高度超過100m，屬于超高空安裝，原結(jié)構(gòu)塔為筒體結(jié)構(gòu)，外壁無著力點、無操作平臺，因此施工安全性不容易保證，安裝難度大。對于不同高度的飄帶桁架分段單元的吊裝，采用不同的起重機(jī)械設(shè)備，達(dá)到有效合理利用資源的目的，同時，采用機(jī)械化高空平臺，確保施工人員安全。

3.3 原結(jié)構(gòu)塔外形誤差大增加了飄帶的施工難度

原結(jié)構(gòu)塔為異型截面混凝土塔筒結(jié)構(gòu)，截面為六角星型螺旋上升造型，根據(jù)復(fù)測結(jié)果與設(shè)計圖比較，六角外壁誤差較大，且六角位置誤差情況各不相同，飄帶造型難以保證，安裝難度大，可采用BIM 逆向測量技術(shù)解決原結(jié)構(gòu)塔誤差較大問題。

4 方案介紹

4.1 單元劃分及機(jī)械選擇

飄帶由6 榀相同的桁架組成，每榀飄帶桁架豎向分段，分為四個吊裝單元，最重吊裝單元為16．31t。

圖2 吊裝單元劃分

起重吊裝機(jī)械根據(jù)飄帶單元的吊裝高度、吊裝重量及吊裝機(jī)械的起重性能確定，由于現(xiàn)場條件限制，大型履帶吊只能在原結(jié)構(gòu)塔北側(cè)設(shè)置，因此A1、A2 單元采用300t 汽車吊站位在原塔結(jié)構(gòu)周邊，北側(cè)設(shè)置650t履帶吊，用于吊裝A3、A4單元。

圖3 起重機(jī)械平面布置

4.2 埋件安裝

埋件的錨栓為后置錨栓，錨栓與埋件板的連接方式為穿孔塞焊模式。埋件安裝使用吊籃作為操作平臺進(jìn)行人工安裝。

4.3 桁架拼裝

飄帶桁架拼裝采用臥拼，6 榀飄帶桁架相同，可只設(shè)置一組拼裝胎架；在BIM 模型中，將飄帶桁架放倒，并根據(jù)飄帶桁架模型設(shè)置胎架BIM 模型，且將胎架BIM 出圖，胎架設(shè)置時，根據(jù)圖紙及通過BIM 模型提取定位坐標(biāo)；為了現(xiàn)場環(huán)境保護(hù)，在胎架底部設(shè)置鋼板作為基座，保證了胎架的穩(wěn)定性，同時使草坪免于破壞。

桁架拼裝時，先上胎拼裝外主弦桿和一根內(nèi)弦桿，再上胎拼裝下側(cè)腹桿，再上胎拼裝上冊兩端腹桿，再通過上冊兩端腹桿定位另一根內(nèi)弦桿，然后拼裝上側(cè)腹桿，最后焊接、校正、出胎。在桁架拼裝時，在BIM 模型中提取桁架定位坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)使用全站儀對飄帶桁架桿件進(jìn)行定位。

4.4 桁架安裝

桁架安裝采用分段安裝法，采用從下到上的安裝順序。A1、A2 單元使用300t 汽車吊安裝，A3、A4 單元安裝采用630t 履帶吊安裝。鋼絲繩選用直徑21．5mm鋼絲繩，破斷拉力總和為270kN，滿足吊裝要求。吊裝點采用綁扎方式，使用短頭吊裝帶捆綁在桁架弦桿與腹桿節(jié)點位置，鋼絲繩與吊裝帶采用卡環(huán)進(jìn)行連接。使用“汽車吊+頂籃”的方式作為高空操作平臺。

為了保證結(jié)構(gòu)安全，桁架單元安裝就位后，飄帶桁架與原結(jié)構(gòu)塔埋件連接扶墻桿焊接數(shù)量通過計算確定，扶墻桿焊接要求數(shù)量與上下段桁架連接弦桿焊接完成，才可進(jìn)行摘鉤。飄帶安裝時，需保證測量定位的準(zhǔn)確性。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 BIM逆向測量技術(shù)

5．1．1 可行性分析

原結(jié)構(gòu)塔誤差大，需進(jìn)行復(fù)測，復(fù)測數(shù)據(jù)與飄帶BIM 模型相結(jié)合，調(diào)節(jié)飄帶桁架與原結(jié)構(gòu)塔連接節(jié)點，用以提高設(shè)計狀態(tài)的趨向性。如此情況，可采用較高精度的高新技術(shù)3D 掃描技術(shù)，但使用3D 掃描技術(shù)具體實施過程分為：外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等階段，其中尤其是內(nèi)業(yè)處理時間一般周期較長，相較于項目的施工工期要求，遠(yuǎn)達(dá)不到要求；同時現(xiàn)場原結(jié)構(gòu)塔下部分存在遮擋，無法掃描。采用BIM 逆向測量技術(shù)，主要采用全站儀進(jìn)行復(fù)測和測量，使用BIM 軟件進(jìn)行模型調(diào)整、數(shù)據(jù)管理，可隨時進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)核、校核、調(diào)整，適用原結(jié)構(gòu)塔誤差較大的飄帶桁架安裝。

5．1．2 施工技術(shù)

BIM 逆向測量技術(shù)，通過BIM 模型提取出飄帶各埋件的標(biāo)高，并使用全站儀，在原結(jié)構(gòu)上測設(shè)出埋件位置。

表1 埋件標(biāo)高

圖4 埋件復(fù)測點布置

使用全站儀對埋件位置進(jìn)行復(fù)測，每個埋件取6 個復(fù)測點，分別位于埋件上下邊線中部和四角部，以東側(cè)第一條飄帶L7 號埋件為例，其復(fù)測點位及復(fù)測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 埋件L7復(fù)測數(shù)據(jù)

將埋件復(fù)測數(shù)據(jù)輸入BIM 模型中，并根據(jù)埋件位置對飄帶扶墻桿進(jìn)行調(diào)整，扶墻件要與桁架腹桿處于同一條直線上。在BIM 模型中，要對扶墻桿按照埋件外邊緣面進(jìn)行相貫線切割，切割后形成精確構(gòu)件。因扶墻件需現(xiàn)場加工，為方便加固，零件圖需設(shè)置為展開圖以確保安裝精度。

圖5 BIM操作

圖6 零件圖及展開圖

根據(jù)調(diào)整后的扶墻桿及相貫口情況，在飄帶桁架拼裝時，將扶墻桿一同在地面拼裝完成；在飄帶桁架安裝時，能夠保證飄帶桁架安裝精度。

5.2 鋼絲繩吊裝角度BIM模擬技術(shù)

通過BIM 技術(shù)對鋼絲繩進(jìn)行模擬，確定鋼絲繩長度，設(shè)置調(diào)節(jié)倒鏈進(jìn)行微調(diào)，保證飄帶桁架單元起鉤狀態(tài)，最終實現(xiàn)飄帶的高空精準(zhǔn)就位。

表3 鋼絲繩長度取值

圖7 鋼絲繩示意圖

以A1 吊裝單元為例。首先，通過BIM 軟件，找出桁架單元的重心，重心正上方一定距離設(shè)為吊鉤位置，吊鉤位置根據(jù)起重機(jī)械的大臂及構(gòu)件吊裝高度確認(rèn)；然后，在桁架節(jié)點位置找出合適的吊點位置，將吊點與吊鉤位置連線，即為鋼絲繩取值長度。

5.3 單元分段差別吊裝技術(shù)

5．3．1 吊裝思路

飄帶桁架分為四個吊裝單元，根據(jù)吊裝高度和構(gòu)件重量，選擇吊裝機(jī)械；因現(xiàn)場場地限制，吊裝高度超過48m，吊裝機(jī)械只能在原結(jié)構(gòu)塔北側(cè)進(jìn)行吊裝作業(yè)，因此選擇630t 履帶吊塔式工況；因此根據(jù)飄帶桁架吊裝單元的吊裝高度，飄帶桁架分為兩種吊裝情況，以吊裝高度48m 為分界線；48m 以上采用630t履帶吊進(jìn)行吊裝，48m 以下采用300t 汽車吊進(jìn)行吊裝。

因最高作業(yè)高度達(dá)120m，采用現(xiàn)有高空車達(dá)不到要求，所以根據(jù)現(xiàn)場實際情況，使用“汽車吊+頂籃”的方案，作為施工人員的操作平臺進(jìn)行作業(yè)。

5．3．2 起重設(shè)備工況分析

飄帶桁架分為四個吊裝單元，下部兩個吊裝單元吊裝最重為A1，重16．31t，采用300t 汽車吊，在28m 回轉(zhuǎn)半徑，額定起重量為18．2t，荷載率16．31t/19．6t=83．2%＜90%，滿足吊裝要求。

圖8 300t汽車吊吊裝工況分析

上部兩個吊裝單元，采用630t 履帶吊主臂84m、副臂84m 工況吊裝，吊鉤采用50t吊鉤，吊鉤重2．52t，最重構(gòu)件為13．65t，53m 回轉(zhuǎn)半徑額定起重量為38．1t，荷載率為（13．65t+2．52t）/38．1t=42．4%，滿足吊裝要求。

圖9 630t履帶吊吊裝工況分析

5．3．3 構(gòu)件起鉤防變形措施

飄帶桁架吊裝單元在起吊前為臥躺式，最長桁架單元為32m，吊車直接起吊，飄帶桁架吊裝單元將產(chǎn)生嚴(yán)重變形。為此，起鉤過程中，使用兩臺吊車，一臺為主起重吊車，另一臺為輔助吊車；兩臺吊車先將桁架單元平行抬起，然后在空中，主起重吊車向上“提”，輔助吊車平行“送”，如此將桁架單元立起，完成起鉤工作。此種方法，減少桁架單元與地面的阻礙，防止桁架單元中部應(yīng)力過大，產(chǎn)生變形，發(fā)生危險。

5．3．4 高空操作平臺的設(shè)置

為應(yīng)對超高空作業(yè)高空車不可用的難題，采用“汽車吊+頂籃”的方案。為了適應(yīng)汽車吊大臂端部結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一種汽車吊鎖頂自穩(wěn)式可拆卸吊籃，通過連接軸將自鎖調(diào)節(jié)臂端部與汽車吊大臂端部連接，將吊籃與汽車吊組成類似高空車作用的超高空操作平臺，原理與高空車類似，但比高空車更為穩(wěn)固、安全。

圖10 630t履帶吊吊裝工況分析

5．3．5 安全摘鉤扶墻桿焊接數(shù)量計算

為了提高吊車施工效率，節(jié)約摘鉤時間，需對桁架吊裝單元摘鉤后安全性進(jìn)行計算，A3 單元重量最大，以A3 單元為最不利工況計算。

①結(jié)構(gòu)受力計算

第三段飄帶及張拉膜鋼板總重16t，重心距離墻面的水平距離為2．5m，現(xiàn)選取上圖4 個扶墻牛腿進(jìn)行焊接固定。4個牛腿距離重心豎向距離最小為5m，為方便簡化計算，假定4 個牛腿距離重心距離相等均為5m（假定偏于安全）?，F(xiàn)就結(jié)構(gòu)受力分析如下，以論證結(jié)構(gòu)固定的安全性和可行性。

a．豎向受力

每個牛腿所受剪力V1=16×10/4=40kN。

A3飄帶單元整體附加彎矩為：

每個牛腿所受拉力為N1=400/5/4=20kN。

b．水平風(fēng)荷載

（a）基本風(fēng)壓ω0=0．45kN/m2；

（b）工程所在地為B 類地貌，風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1．83；

（c）a1=0．218，k=0．910,

一個飄帶的自振周期T1=0．013×100=0．13s，自振頻率f=1/0．13=7．7Hz。

（d）脈動風(fēng)荷載共振分量因子

（e）高度75m處風(fēng)振系數(shù)

(f)考慮飄帶鋪膜，屬于有圍護(hù)結(jié)構(gòu)，擋風(fēng)系數(shù)φ=1＞0．5

風(fēng)荷載體型系數(shù)μs=1．6×0．6=0．96。

(g)水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

第三段飄帶整體承受水平風(fēng)荷載為W2=1．43×25×5=178kN。

每個牛腿所受剪力V2=178/4=44．5kN。

風(fēng)荷載引起的第三段飄帶整體彎矩為△M2=W2×e=178×2．5=445kN/m。

橫向牛腿間距為2．0m，每個牛腿所受拉力為N=445/2/2=111．25kN。

c．荷載組合

每個牛腿所受剪力為

每個牛腿所受拉力為

②焊縫受力計算

a．計算參數(shù)

截面類型為：φ219×8-Q355；

連接方式：采用全熔透二級對接焊縫，焊縫高度8mm；

焊縫長度假定位為圓管橫截面周長（實際為相貫線，假定更為安全）。

連接板厚度為：20mm；

內(nèi)力值為：N=193kN。V=119kN。

b．焊縫驗算

拉力作用下

剪力作用下：

焊縫最大綜合應(yīng)力：

③結(jié)論

A3 飄帶單元按照4 個附墻件焊接固定即可滿足自重和風(fēng)荷載組合工況的受力要求，且有很大富裕。

6 結(jié)語

高誤差高聳塔結(jié)構(gòu)外壁附墻擴(kuò)建、三角異形螺旋空間飄帶桁架超高空安裝技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)BIM 逆向測量技術(shù)解決了已有塔結(jié)構(gòu)誤差大的問題；鋼絲繩BIM 角度模擬技術(shù)解決了異形結(jié)構(gòu)空中姿態(tài)調(diào)整難題，方便了異形結(jié)構(gòu)就位安裝；單元分段差別吊裝技術(shù)解決了超高空吊裝的高度問題，對于不同高度的飄帶桁架分段單元吊裝，采用不同的起重機(jī)械設(shè)備，達(dá)到有效合理的資源利用目的。保證了項目的施工安全和質(zhì)量，對于異形豎向結(jié)構(gòu)改建工程提供了借鑒意義。